Le galetage est une opération de finition et de traitement mécanique de surface, particulièrement utilisée dans le secteur du décolletage. Afin de valoriser pleinement l'opération, les industriels ont besoin d'estimer les caractéristiques des pièces traitées; il s'agit de la rugosité, de la dureté superficielle et de la distribution des contraintes résiduelles. Pour répondre à cette problématique, différentes modélisations ont été construites par le passé. Les deux plus abouties s'appuient principalement sur l'hypothèse d'équivalence entre la sollicitation de galetage et la sollicitation d'indentation. Dans ce rapport, une nouvelle approche de la modélisation de l'opération de galetage est proposée. Elle repose sur une étude fine des phénomènes physiques mis en jeu par la sollicitation de galetage. Dans un premier temps, le problème mécanique posé par la modélisation de l'opération de galetage est résolu sous l'hypothèse de comportement purement élastique. Dans ce cas, l'équivalence entre la sollicitation de galetage et la sollicitation d'indentation est bien re-démontrée. Dans un second temps, l'effet de la plasticité sur cette équivalence est étudié. Un phénomène de formation et écoulement de bourrelet, particulièrement influent sur la sollicitation de galetage, est alors mis en évidence. Ce constat invalide totalement l'hypothèse d'équivalence galetage - indentation formulée précédemment. Ainsi, il est démontré que pour modéliser fidèlement les phénomènes induits par l'opération, il est indispensable de considérer le contact roulant libre du galet sur un solide en trois dimensions. En tirant partie de cette étude, une nouvelle méthode de modélisation de l'opération de galetage par la technique des Éléments Finis est alors proposée. Une attention particulière est portée sur la définition d'une méthode de caractérisation mécanique préalable du matériau, notamment adaptée à la problématique par l'utilisation d'un essai de compression spécifique. En ce qui concerne l'état géométrique de la surface, les résultats numériques sont en bon accord avec les mesures expérimentales. De plus, pour les grandeurs mécaniques (dureté superficielle et contraintes résiduelles), une correspondance qualitative est obtenue. Finalement, il apparaît que ce modèle apporte une contribution notable à la compréhension de l'opération, ouvrant la voie à une modélisation plus fidèle. / Roller burnishing is a cost effective surface enhancement process. To value this process, industry needs a tool to estimate the roughness, the hardness and the residual stress distribution of a burnished workpiece. To achieve this goal, different models have been built in the past. The two most comprehensive are based on the hypothesis of equivalence between normal contact and rolling contact. In this study, a new approach of the modeling of roller burnishing is proposed. For this, physical phenomena that occur around the contact area have been precisely studied. Firstly, the mechanical problem that is posed is solved analytically assuming a perfectly elastic behavior. In this case, equivalence between normal contact and rolling contact is proved. Secondly, the effect of plasticity on that result is studied. A phenomenon of accumulation and flow of material, which effect appears to be particularly important on the mechanical and geometrical characteristics of the burnished surface is highlighted. This observation imposes to reject the hypothesis of equivalence between normal contact and rolling contact. Consequently, it is conclude that any model can't be reliable until it considers the rolling contact of the roller on the workpiece. On this basis, a new finite element model of roller burnishing is established. Finally, numerical results are compared to experimental measurements. Concerning geometrical state, a quantitatively good correlation is observed while a qualitatively agreement is obtained for the two mechanical indicators. It can be concluded that this new EF model give a better understanding of the mechanics of roller burnishing process and will give the opportunity to improve parameters process or to adapt parameters according to the wished mechanical and geometrical characteristics of the workpiece.

Este trabalho comprovou a eficácia do processo de roleteamento profundo no aumento da vida em fadiga em eixos submetidos ao ensaio de fadiga sob tensão axial. Uma pesquisa bibliográfica extensa foi realizada para o entendimento do comportamento físico do fenômeno encruamento, onde esta pesquisa abrangeu a metalurgia, plasticidade e elasticidade dos materiais, processos de geração de tensão residual e ensaios destrutivos e não destrutivos para obtenção de valores reais. O corpo de prova utilizado, em relação ao corpo de prova padronizado, foi modificado para simular o efeito do entalhe como concentrador de tensões. Corpos de prova sem o tratamento mecânico de roleteamento e corpos de prova com o tratamento foram submetidas ao ensaio de fadiga de tensão axial e de difração de raios-X, a fim de comparar o ganho do processo de roleteamento profundo. Com os resultados dos ensaios de fadiga foi possível obter as curvas Wöhler, "S-N", pertinentes aos dois diferentes grupos de amostras: com e sem o tratamento de roleteamento profundo. Simulações pelo Método dos Elementos Finitos foram usadas também para tentar reproduzir os efeitos da tensão residual compressiva sobre a vida em fadiga assim como os resultados obtidos nos ensaios de fadiga e difração de raios-X. / This project has proved the effectiveness of the deep rolling process in the increasing of fatigue life on shafts submitted to axial stress fatigue test. A deep literature research has done for understanding of the physic behavior of the hardening phenomenon, where this research included metallurgy, plasticity and elasticity of materials, generation of residual stress processes and destructive and nondestructive tests to obtain the real values. The specimen used, comparing to the standard one, had been changed to simulate the notch effect as stress concentrator. Specimen with and without rolling mechanical treatment have submitted to axial stress fatigue test and X-rays diffraction test, to compare the gain of the deep rolling process. With the results of fatigue tests, became possible to obtain the Wöhler curves, "S-N", from each different groups of specimens: with and without the deep rolling treatment. Simulations by Finite Element Method have also used to try reproducing the compressive residual stress effects under the fatigue life, like the obtained results from fatigue and X-rays diffraction tests.

Wellen sind essentielle Maschinenelemente zur Übertragung von Kräften und Momenten in Getrieben. Die Forderung der Industrie nach Leistungssteigerung in der Antriebstechnik erfordert höhere Festigkeiten der Wellen. Zur Steigerung der Tragfähigkeit können einerseits höherfeste Werkstoffe und andererseits mechanische Oberflächenverfestigungsverfahren genutzt werden. Das effektive und kostenschonende Verfahren des Festwalzens wird am kritischen Querschnitt des Bauteils zur lokalen Festigkeitssteigerung durchgeführt. Bekannte Auslegungskonzepte, wie die DIN 743 oder auch die FKM Richtlinie berücksichtigen die aus dem Prozess eingebrachten Druckeigenspannungen jedoch nicht oder nur unzureichend. In diesen Auslegungsrichtlinien wird die Tragfähigkeitssteigerung mittels Diagrammen zum Einflussfaktor der Oberflächenverfestigung KV abstrahiert. Es wird davon ausgegangen, dass der Faktor KV die Tragfähigkeitsreserven festgewalzter Bauteile unterschätzt. Der vorliegende Beitrag zeigt auf, wie mittels numerischer Methoden der Einfluss von Druckeigenspannungen auf die Festigkeit von wellenartigen Bauteilen beschrieben werden kann. Dies ermöglicht die Abschätzung und Erschließung vorhandener Tragfähigkeitsreserven. Auf Basis eines mittels röntgenographischer Eigenspannungsmessungen validierten Simulationsmodells für das Festwalzen ungekerbter Bauteile, werden die numerisch ermittelten Eigenspannungen in Festigkeitssimulationen sowohl auf einer Kleinteilprobe als auch einer Bauteilprobe aufgeprägt. Es erfolgt eine elastisch-plastische Simulation des lokalen Beanspruchungszustandes im Bereich dauerfest ertragbarer Lasten entsprechend der Versuchsergebnisse. Ausgewertet werden das Spannungs- und Dehnungsverhalten am kritischen Querschnitt während der Lastwechsel sowie der Eigenspannungsabbau. Abschließend werden die Simulationsergebnisse mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. / Shafts are essential machine elements for the transmission of forces and moments in gearboxes. The industry's demand for increased performance in drive technology requires higher fatigue strengths. The effective and cost-saving process of deep rolling is carried out on the critical cross-section of the component to increase fatigue strength locally. However, known design concepts such as DIN 743 or the FKM guideline do not or only insufficiently take into account the residual compressive stresses introduced by the process. In these design guidelines, the increase in fatigue strength is abstracted by means of diagrams on the influence factor of surface condition KV. It is assumed that the factor KV underestimates the fatigue strength reserves of deep rolled components. This article shows how numerical methods can be used to describe the influence of residual compressive stresses on the fatigue strength of shaft-type components. This enables the estimation and utilisation of existing fatigue strength reserves. Based on a simulation model for deep rolling of unnotched components validated by means of X-ray residual stress measurements, the numerically determined residual stresses are applied to a specimen as well as a component in strength simulations. This is followed by an elastic-plastic simulation of the local stress distribution with ultra-high-cycle fatigue loads according to the experimental results. The stress and strain behaviour at the critical cross-section during the load cycles and the residual stress reduction are evaluated. Finally, the simulation results are compared with the experimental results.

Es wird untersucht, ob in Schneckenextrudern verwendete Förderelemente aus Stahl durch das Oberflächenfeinwalzen der schraubförmigen Mantelfläche gleichzeitig geglättet und verfestigt werden können. Steigungsprofile, zu denen auch die Förderelemente zählen, werden bislang oft nach der Hauptformgebung wärmebehandelt und im harten Werkstoffzustand spanend feinbearbeitet. Formgebung, Wärmebehandlung und Feinbearbeitung sind voneinander getrennte Prozessschritte. In dieser Arbeit besteht das Ziel, die Verfahrenseingangsgrößen für die Kombination aus Formgebung und definierter lokaler Werkstoffverfestigung beim Walzen zu erarbeiten. Zu diesem Zweck werden sowohl am Steigungsprofil selbst als auch an einem davon abgeleiteten Rotationsprofil simulative, experimentelle sowie analytische Untersuchungen durchgeführt. Es werden geometrische, kinematische und werkstofftechnische Gesichtspunkte beleuchtet. Aufbauend auf dem Vergleich zwischen Simulationsergebnissen mit der Finite-Elemente-Methode und im Versuch ermittelten Daten werden Haupteinflussfaktoren auf die geometrischen Abweichungen sowie die Härtesteigerung in der Bauteilrandschicht ermittelt. Mit Hilfe eines neu entwickelten sensorischen Werkstückträgers wird die Drehbewegung des Werkstücks erfasst. Aus den analytischen Betrachtungen wird schließlich ein Modell zur qualitativen Beschreibung des Walzkraftverlaufs abgeleitet, das zur Vorauswahl von Verfahrenseingangsgrößen genutzt werden kann. Im Ergebnis wiederholter Messungen wird deutlich, dass mit der geometrischen Gestaltung einer Walzvorform gezielt Einfluss auf Umformgrad und damit Verfestigung im Bauteil genommen werden kann. An den untersuchten hochfesten korrosionsbeständigen austenitischen Stählen ist eine Verdopplung der Halbzeughärte möglich. Die beim Spanen der Vorformen auftretenden Formabweichungen haben großen Einfluss auf die Beschaffenheit der Zielgeometrie sowie die erzielbare Härtesteigerung. Durch Kenntnis der realen Werkstückdrehbewegung während des Walzens lassen sich Rückschlüsse auf die Werkzeuggestaltung und die Walzparameter ziehen. Aufgrund der Untersuchungsergebnisse wird das Verfahren für die Anwendung an korrosionsbeständigen Bauteilen mit mittleren Verschleißschutzanforderungen empfohlen.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielstellung der Arbeit 4 Beschaffenheit der Werkstücke und Werkzeuge 5 Modellbildung mit Hilfe der FEM 6 Versuchsvorbereitung und Eingangsgrößen 7 Vergleich der Verfahrenskenngrößen in Simulation und Experiment 8 Analytisches Modell zur qualitativen Vorhersage der Walzkraft 9 Bauteileigenschaften nach dem Walzen 10 Zusammenfassung und Ausblick / A combined surface burnishing and mechanical hardening process for steel conveying elements in screw extruders is examined. Helical profiles, that also comprise conveying elements, are often heat treated after shaping followed by fine processing. Shaping, heat treatment and fine processing are sequential process steps. This work deals with the investigation of rolling process parameters that enable both low geometrical deviations and high work hardening of the screw material. For this purpose, helical and axisymmetric profiles are analyzed with simulative, experimental and analytical methods. The investigations highlight geometrical, kinematical and material-related aspects. The main factors with influence on screw geometry and hardness increase in the component subsurface are investigated by means of the comparison between simulative and experimental results. An intelligent workpiece carrier is applied to analyze the part rotation. Based upon analytical observations, a calculation model for the prediction of the rolling force curve over workpiece rotation is developed. This model supports predefining the process input variables. Repeated measurements indicate that the geometrical design of the machined preforms allows for individual strain and hence hardness distributions in the part subsurface. Hardness can be doubled in the investigated corrosion resistant austenitic high strength steels. Form deviations of the part and hardness increase are strongly dependent on geometrical deviations of the preform. Knowledge of part rotation during rolling enables to draw conclusions for tool design and rolling parameters. Based on the results it is suggested to apply the rolling procedure to parts in environments which require high corrosion resistance and moderate wear resistance.:1 Einleitung 2 Stand der Technik 3 Zielstellung der Arbeit 4 Beschaffenheit der Werkstücke und Werkzeuge 5 Modellbildung mit Hilfe der FEM 6 Versuchsvorbereitung und Eingangsgrößen 7 Vergleich der Verfahrenskenngrößen in Simulation und Experiment 8 Analytisches Modell zur qualitativen Vorhersage der Walzkraft 9 Bauteileigenschaften nach dem Walzen 10 Zusammenfassung und Ausblick